一种可远程监控的微型人工气候箱的制作方法

本发明涉及生物工程技术领域，具体涉及一种可远程监控的微型人工气候箱。

背景技术：

现在中小学教育越来越强调和注重培养学生的兴趣爱好，特别是科技类创新研究活动。观察和研究各种动植物行为是一类普遍受中小学生热爱的科技活动，但是因植物生长周期长，生长受到地理空间、季节和气候条件的限制影响较大，对于广大生活和学习在城市中的学生，缺乏像生活在农村中的学生那样非常方便亲近自然和观察各种植物生长习性的客观条件和机会，最终影响到城市学生对研究植物的爱好难以实现或长期保持。

在国家研究机构，科学家通过建造大型的人工气候室等科研设施，来克服植物在自然气候条件下生长所受的时空限制。即通过人为控制人工气候室的温度、空气湿度、光照强度、二氧化碳浓度和土壤含水量等参数，来满足植物生长所需的各种气候条件，实现了全年任何时候都可以观察研究植物生长的科研需要。但是人工气候室作为一种大型科研设施，往往有较大的占地要求、造价高、运行维护成本高，只能满足科研工作者的研究需要，对广大爱好动植物的中小学生来说，很少有机会能够使用这些科研设施。即使体积相对小型人工气候箱等科研设备，也只是用于科研工作，不能满足广大学生的课外兴趣活动要求。

如果能研究开发一种体积小、可以放置在家中或学校的微型气候箱，将极大方便中小学生在家或在校开展动植物观察研究的科技类活动，培养他们热爱动植物科学、善于观察、勤于动手的良好科学基础和科学素养。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种可远程监控的微型人工气候箱，用于利用课外时间在家中或学校开展持续性的植物生长方面的科技创新类研究活动，解决以往城市中学生因客观条件限制而无法了解植物从种子到种子全生命周期中生长变化过程的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种可远程监控的微型人工气候箱，气候箱包括培养箱、控制箱和水箱，三者可形成为一体或相互独立，当相互独立时，培养箱、控制箱和水箱之间通过导线和管道连接以进行导电、通讯和液体输送，气候箱内设置有传感器和执行器件以进行多参数自动检测和多参数自动控制，培养箱由透明的有机玻璃材料(如PMMA)制成，气候箱内设置有轻质温控装置进行控温。

进一步地，培养箱内设置有温度传感器、空气湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤含水量传感器、LED光源和内循环风扇中的一种或几种，培养箱内底部放置植物培养容器(栽培盘或栽培盆)，土壤含水量传感器直接插入在植物培养容器里的栽培土中，培养箱的后面板开孔安装外循环风扇和轻质温控装置，导线和管道从后面板开孔接入培养箱内的传感器和执行器件上。

进一步地，上述轻质温控装置包括PTC加热片和半导体制冷片。

进一步地，多参数自动检测包括对温度、空气湿度、光强度、二氧化碳浓度和土壤含水量中的一个或几个参数的检测。

进一步地，多参数自动控制包括自动控制加热、制冷、灌溉、光照和通风中的一种或几种。

进一步地，微型人工气候箱的总体积不大于0.03立方米，可放置在桌面上。

进一步地，气候箱内设置有微型摄像头，可运用手机APP或电脑操作软件进行远程监控箱体内植物实时的生长状况和设备运转状态。

进一步地，气候箱的箱体被设置为可彼此紧密配合，两个以上的气候箱可叠放或扩展形成多室分隔的扩展型气候箱。

进一步地，控制箱包括变送器和现场控制器，传感器通过变送器将模拟信号转换为数字信号，现场控制器记录存储数字信号，并与上位机电脑连接通信，上位机电脑通过控制显示软件将控制信号发送给现场控制器执行操作。

进一步地，数字信号通过短距离无线传输方式与上位机电脑连接通信。

本发明提供的微型人工气候箱具有以下优点：

1、实现多参数自动检测和控制。具备能够自动检测温度、空气湿度、光强度、二氧化碳浓度、土壤含水量等多种参数和自动控制加热、制冷、灌溉、通风等执行器件动作的功能，创造一个模拟自然气候条件的小型人工气候环境。

2、通过结构设计、选材和元器件选型解决微型气候箱的体积问题，达到体积小，重量轻，易移动，可放置在桌面上的效果。本方案中微型气候箱总体积小于0.03立方米，根据需要可以更小。培养箱部分的箱体利用PMMA等有机玻璃材料加工制作，充分利用有机玻璃具有强度高、易加工、密度低等优点，可以大大降低气候箱的重量。在此基础上，采用PTC加热片和半导体制冷片进行加热制冷来维持箱内温度，解决了传统盘管加热和压缩机组制冷方式占用空间大，重量重等缺点。体积小、重量轻的特点，使得该气候箱适合在多种场所使用，如家庭、学校或其他场所。

3、在不需开启气候箱门的情况下，就可多角度观察箱内植物状态。利用了PMMA等有机玻璃材质的高透光度，使得观察者在不打开气候箱门的情况下，可以从各个角度观察箱体内生长的植物形态和各执行器件的运行状态，不会因观察植物生长而需要开门导致的干扰植物生长的气候条件。

4、可叠放，可扩展。通过箱体结构设计，允许两个以上箱体呈紧密配合状叠放，形成一个多室分隔的扩展型气候箱。既解决叠放后上层培养箱前后左右滑动跌落的危险，也进一步解决同时使用多个气候箱时占用较多空间的问题，更重要的是能够在同一时间内实现不同参数条件对植物生长影响的对比研究。

以下将结合附图对本发明作进一步说明，以充分说明本发明的目的、技术特征和技术效果。

附图说明

图1示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的总体结构示意图；

图2示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的正视图；

图3示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的培养箱部分的左前侧仰视图；

图4示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的培养箱部分的右视图；

图5示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的培养箱部分的后视图；

图6示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的培养箱部分的顶视图；

图7示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的参数检测与控制流程总图；

图8示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的光照自动控制流程图；

图9示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的灌溉自动控制流程图；

图10示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的温度自动控制流程图；

图11示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的箱内外换风系统控制流程图；

图12示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的控制箱内器件排布图；

图13示出了本发明较优实施例中的微型人工气候箱的远程监控原理图。

附图标记：

1-培养箱 2-控制箱 3-水箱 4-水泵 5-连接水管 6-土壤含水量传感器7-导线 8-滴灌管 9-栽培盘或栽培盆 10-门把手 11-底面板 12-前门 13顶面板 131-顶面板左侧把手 132-顶面板右侧把手 1321-顶面板右侧把手穿孔 133-顶面板上左侧档条 134-顶面板上右侧档条14-后面板 15-右侧面板 151-右侧面板顶端凸出处 152-右侧面板底端凹陷处 153-右侧面板前端底脚 154-右侧面板后端底脚 16-左侧面板161-左侧面板顶端凸出处17-外循环风扇安装孔 18-半导体制冷片安装孔 19-导线和水管入孔 20-PTC加热片 21-温度传感器 22-二氧化碳浓度传感器 23-空气湿度传感器 24-光照度传感器 25-内循环风扇 26-LED光源 27-微型摄像头

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步描述。

微型气候箱包括培养箱、控制箱和水箱。培养箱、控制箱和水箱可以形成为一体，也可以相互独立。如果三部分相互独立，三者之间通过导线和管路连接，实现参数检测、控制和动作执行之间的信号传输及物料供给。培养箱形状可以是立方体、圆柱态，锥体、球体或其他不规则形状等结构。培养箱内可以纵向设一层或多层结构，也可以横向设一个或多个分隔区。上下层结构之间或水平分隔区之间可以连通或不连通，每个分隔可以独立检测和控制各参数。也可以多个培养箱以紧密配合方式叠加或相连，形成一组扩展型多分隔的微型气候箱。方便进行设置不同参数条件，开展对比研究实验。

本实施例中以一个立方体形状、内部单层不分隔结构为例说明微型气候箱的具体构造。

微型气候箱由培养箱1、控制箱2和水箱3组成，三者相互独立，彼此通过导线和管路连接(如图1所示)。培养箱1的箱体尺寸为40×30×30cm，箱内顶部安装温度传感器21、二氧化碳浓度传感器22、空气湿度传感器23、光照度传感器24、内循环风扇25、LED光源26和微型摄像头27，微型摄像头27也可以安装在后面板14或侧面板(右侧面板15和左侧面板16)上。箱内底部放置植物栽培盘或栽培盆9等，土壤含水量传感器6直接插入栽培盘或栽培盆9里的栽培土中。箱体后面板14上开孔安装外循环风扇、PTC加热片20和半导体制冷片。导线和液体输送管路从后面板开孔接入箱内传感器和执行器件上。

培养箱结构如图1至图6所示，共有六个面板：

前面板为一个矩形结构，采用合页方式与侧面板铰链，形成一个箱门，即前门12，前门12上安装一个门把手10，与右侧面板15、左侧面板16、顶面板13和底面板11接触处刻槽安装密封条。箱门也可以采用移门方式，左右或上下滑动。附图中所示为开门方式。

后面板14也为一个矩形结构，上端边和下端边呈现凹凸匹配状，保证两个气候室叠放时的限位作用。后面板上开有两个外循环风扇安装孔17、一个半导体制冷片安装孔18、一个导线和水管入孔19。后面板14上安装两个外循环风扇、一个PTC加热片20、一个半导体制冷片。

侧面板(右侧面板15和左侧面板16)，上端边和下端边呈现凹凸匹配状(右侧面板顶端凸出处151、右侧面板底端凹陷处152、左侧面板顶端凸出处161，左侧面板底端凹陷处未示出，与右侧面板底端凹陷处152结构相同)，与顶面板13上紧贴侧面板安装的档条(顶面板上左侧档条133、顶面板上右侧档条134)组成了培养箱叠放时的紧密配合结构，保证了两个培养箱叠放时不会前后左右滑动。侧面板上端稍低部分开槽一个狭缝(如图4中所示的顶面板右侧把手穿孔1321)，正好可以保证顶面板左右两端的两个把手(顶面板左侧把手131、顶面板右侧把手132)穿过狭缝。

顶面板13为矩形状，正好被前面板(在本实施例中为前门12)、后面板14和两块侧面板(右侧面板15和左侧面板16)包围。顶面板13两侧各突出一块，作为把手(顶面板左侧把手131、顶面板右侧把手132)，便于搬运时抓手。两个把手部分从侧面板上开槽的狭缝(如图4中所示的顶面板右侧把手穿孔1321)穿过侧面板。顶面板13内侧安装有温度传感器21、二氧化碳浓度传感器22、空气湿度传感器23、光照度传感器24、内循环风扇25和LED光源26。在本实施例中，还安装有微型摄像头27，以便运用手机APP或电脑操作软件进行远程监控箱体内植物实时的生长状况和设备运转状态。

底面板11，为矩形状，正好被前面板(在本实施例中为前门12)、后面板14和两块侧面板(右侧面板15和左侧面板16)包围。箱内底面板11上放置栽培盘或栽培盆9，土壤含水量传感器6直接插入到栽培盘或栽培盆9的土壤中，栽培盘或栽培盆9中的土壤上布设滴灌管8或喷灌管路。

图7示出了本实施例中的微型人工气候箱的参数检测与控制流程总图，图8-图11则分别示出了光照、灌溉、温度、换风系统的自动控制流程图，具体说明如下。

1、光强检测和光照控制

光照系统包括光照传感器、LED光源。当光照度低于某一设定值时，启动LED光源开关。也可以设定光暗时间周期，等光照达到设定光照时长后，自动关闭LED光源，等暗周期时长结束时，自动开启LED光源进入光照周期。如此更替。

光照度检测范围，波长范围为400-720nm，可以任意设定光周期和暗周期的时长，光源开启关闭方式可以根据需要设定。

2、湿度检测和灌溉控制

湿度系统包括空气湿度传感器、土壤含水量传感器、水槽、水管、喷淋头或滴灌头、电磁阀、水泵。当土壤水分含量低于设定值时，自动启动电磁阀，水泵，水槽中水通过硅胶软管进入室内，通过喷淋或滴灌方式进行灌溉。如果需要补充营养液，可以将营养液加入水槽中，通过灌溉系统补充营养液。

3、箱内温度的检测和控制

温度测控系统包括温度传感器、PTC加热片、半导体制冷片、内循环风扇。当温度高于设定温度时，自动启动半导体制冷，同时启动内循环风扇，强制循环，保持温度的均匀性和快速降温。如果温度低于设定温度，则自动启动PTC加热，同时启动内循环风扇，进行混匀和快速升温。也可以通过采用各面板双层结构，增加隔热效果，减少热量损失，维持温控的稳定性。

温度检测范围，0-100℃，温度控制范围：10℃—50℃，加热器件采用40×40mm PTC片，制冷采用相同大小的半导体制冷片。

4、箱内二氧化碳检测和换风

箱顶安装二氧化碳浓度传感器，若二氧化碳浓度降低时，开启外循环风扇，进行内外空气交换，提高内部空气中二氧化碳的含量。根据设定，数秒或数分钟后自动关闭。

图12示出了本实施例中的微型人工气候箱的控制箱内器件排布图。传感器通过变送器将模拟信号转换为数字信号，一般为4-20ma信号或者0-5V信号。现场控制器(PID、PLC或者自制单片机)，将所有数据记录存储,并且通过短距离无线传输方式(ZIGBEE)与上位机电脑连接通信，电脑通过控制显示软件将控制信号发送给控制器执行操作。现场控制器具备存储数据以及自动控制功能。

图13示出了本实施例中的微型人工气候箱的远程监控原理图。通过上位机软件进行数据采集、实时数据动态展现、环境数据存储、设备状态数据存储、数据分析等。

本发明提供的微型人工气候箱，不仅能满足中小学生的课外科技创新研究类活动需要，也可作为一种教学用具，方便在家中或学校等场所使用。特点体现在集成了微型化、轻量化和透明化设计。体积缩微至可以放置在桌面(书桌、茶几、窗台上等)；重量轻至小学生可以方便搬动；无死角全方位观察箱内植物生长全貌的透明箱体。

1、人工气候箱采用微型化设计，实现不受场地空间限制的桌面式放置，且具备自动检测和控制温湿度、光强光照、二氧化碳等环境参数，模拟植物生长所需自然气候条件，满足中小学生开展长期植物生长习性研究等科技类创新型研究活动的要求。现有的人工气候箱一般体积大，重量重，落地式，大小与立式冰箱相当，主要用于研究院所和大专院校等科研单位的科研工作。

2、人工气候箱采用PTC加热器、半导体制冷片及有机玻璃等轻量化、便携化设计，重量轻至小学生可以方便搬动，可以满足学校开展植物生长研究所必需的气候条件，实现全生命周期观察箱体内植物生长情况的试验需求。

3、人工气候箱箱体结构全部采用PMMA等有机透明玻璃制造，在不需开箱门或减少开门次数情况下，满足了中小学生全方位、多角度、无死角地观察箱体内植物生长情况，尽可能减少因观察植物生长全貌而需要频繁打开箱门，导致干扰箱体内气候条件的变化。传统气候箱一般是金属外壳，或箱门采用玻璃材质。当需要观察植物生长状态时往往需要打开箱门，取出植物，观察后再放回箱内，这个开关箱门过程就改变了箱内温湿度等参数条件。因为，植物培养过程中观察需要很频繁，也就导致箱内气候条件频繁受到干扰。

4、可扩展成多室分隔气候箱，采用同一上位机控制，既节省空间，又便于开展不同气候条件的对比性研究。通过箱体结构设计，允许两个以上箱体呈紧密配合状叠放，形成一个多室分隔的扩展型气候箱。既解决叠放后上层培养箱前后左右滑动跌落的危险，也进一步解决同时使用多个气候箱时所占用的空间，更重要的是能够在同一时间内实现不同参数条件对植物生长影响的对比研究。

5、可远程监控微型气候箱的运行情况，必要时可以控制其执行操作，不用担心因为较长时间外出远行而导致植物生长受到影响。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。